ПАРУСНЫЙ…ВЕТРЯК

Говорят, новое — хорошо забытое старое. И энергетика здесь, похоже, не является исключением.  Ожегшись на Чернобыле, столкнувшись в ряде мест с угрозой энергетического кризиса, человечество все чаще обращает свой взор на технические решения, незаслуженно списанные в прошлом в архив. Использование даровой силы ветра — в числе именно таких решений. Приходят к ним в своих творческих изысканиях и любители мастерить все своими руками (см., например, «М-К» № 4/84, 5/86, 6/90, 7/92|.

В этой связи предлагаемая публикация сделанная по материалам американского журнала «Механик иллюстрейтед», думается, представляет особый интерес и актуальность для многих наших читателей.

Идея — обуздать ветер, обеспечив тем самым сеЬя даровой электроэнергией,— несомненно, весьма заманчива. Но выпускаемые промышленностью ветроэнергоустановки не всегда подходят для размещения их, например, возле загородного дома. Да и цены на них астрономические.

Альтернативой может стать вполне доступная с точки зрения семьи со средним достатком самодельная ветроэнергоустановка — такая, как изображена на публикуемых иллюстрациях. За исключением синхронного электрогенератора переменного тока, ее конструкция не содержит дорогих и остродефицитных деталей и узлов. Проста (а следовательно, надежна в работе, легка в изготовлении и наладке) кинематика. А энергетические возможности таковы, что при средней скорости ветра Увср=4,8 м/с. они с лихвой обеспечат потребность в электроэнергии небольшого дома с усадьбой и хозяйственными постройками.

«Изюминка» всей конструкции здесь — ветровое колесо. Во-первых, оно лопастное. Уступая простейшему роторному некоторой архаичностью своего внешнего вида, напоминающего средневековые мельницы, с которыми сражался небезызвестный Дон-Кихот, этот ветряк выигрывает в главном: мощности, отдаваемой в нагрузку. Во-вторых, в паре с ветром в данном случае работает… парус — на каждой из трех лопастей с изменяемой площадью Б* и самоограничением, предусмотренным для сильных ветров.

Дело в том, что лопастной узел у крыла ветряка состоит из жесткой передней кромки, ребер соответствующего сечения и «закрутки», обеспечивающих оптимальный режим работы концевой, средней частей и основания, а также задней кромки, натяжение которой обеспечивает стальной трос. Парус лопасти — из пропитанного синтетическим лаком капрона. Он натянут на остов с закреплением прижимной планкой на распорке-основании (см. рис.), а благодаря тросу — всегда упруг. Ткань после пропитки синтетическим лаком отнюдь не потеряла своей эластичности, и лопасть способна изменять форму в ответ на порывы ветра. Автоматически принимает и наилучший для каждой конкретно складывающейся ветровой нагрузки угол тангажа.

Ну а случись — налетит ураган. Что тогда? Да ничего страшного не произойдет. Трос, задающий натяжение задней кромке, напряжен так, что при скоростях ветра, превышающих рабочий диапазон, парус опадает, становится как бы недействующим: возникает режим самоограничения, причем — автоматически.

Из других технических решений, удачно вписавшихся в конструкцию данной ветроэлектроустановки, нельзя не отметить также простоту и надежность выполнения опорно-поворотного узла, съем электроэнергии в нагрузку, использование в кинематической схеме не углового редуктора, а обычных цепных передач, успешное размещение практически всей кинематики в капсуле обтекателя. Неплохо зарекомендовала себя в деле и сама капсула.

Особенности изготовления основных узлов, как и всей рассматриваемой ветроэлектроустановки,— следствие ее оригинальности.

Взять, к примеру, переднюю кромку лопастного узла. По сути своей это кессонная конструкция. Для нее нужен остов: лонжерон с соответствующими взаимосвязанными элементами. А их не сделать без шаблонов.

Шаблонов потребуется шесть. Два — для образующих ребра

блоков, три — для сборочного приспособления лопастного узла (стапеля) и один — для исходной заготовки ребра. При их изготовлении требуются максимальные аккуратность и сосредоточенность, чистота разметки.

Рис. 1. Усадьба с автономным энергообеспечением (вверху):

1 – потребитель электроэнергии (нагрузка), 2 синхронный электрогенератор с трансмиссией в капсуле обтекателя. 3 — лонжерон лопасти (3 шт.), 4 — кок ветроколеса, 5 — лопасть парусная (3 шт.), 6 опорно-поворотный узел, 7 — мачта из металлических ферм, 8 – оттяжки.

Р и с. 2. Кинематическая схема ветро-электроустановки:

1 — ветроколесо трехлопастное парусное, 2 — шарикоподшипник радиально-упорный (2 шт.), 3 — труба опорная квадратного сечения, 4 — вал ведущий, 5 — шарикоподшипник радиальный (2 шт.), 6 — промежуточный вал, 7 — передача силовая с приводной роликовой цепью ПР-19,05, 8 — обтекатель, 9 — передача силовая с приводной роликовой цепью ПР-12,7, 10 — генератор синхронный мощностью 1200 Вт, 11 — стойка-труба внутренняя, 12 — подшипник радиальный самосмазывающнйся, 13 — стойка-труба внешняя, 14 — подпятник, 15 — мачта нз металлических ферм.

Рис. 3. Изготовление лопасти:

1 — планка прижимная (полоса сечением 3X25 мм, АЛ9-1), 2 — распорка-основание (отрезок склепанных и «эпоксидированных» вместе алюминиевых уголков 25X25 мм с приданием нужной конфигурации), 3 — парус (пропитанное синтетическим лаком капроновое полотно массой 113,4 г), 4 — большая укосина (12-мм алюминиевый прокат), 5 — особой конфигурации), 9 — ребро-«сандвич» (склепанные и «эпоксидированные» вместе заготовки из 6-мм листа АЛ9-1; 3 шт.), 10 — кронштейн стыковочный (20-мм отрезок алюминиевого уголка 25X25 мм, 6 шт.), 11 — малая укосина (12-мм алюминиевый прокат), 12 — законцовка (отрезок склепанных вместе и «эпоксидированных» алюминиевых уголков 25Х 25 мм), 13 — гильза свинцовая (12-мм отрезок сплющиваемого цилиндра с наружным диаметром 12 мм и внутренним — 3 мм, 2 шт.), 14 — оболочка троса (два последовательно составленные отрезка полиэтиленовой трубки), 15 — трос натяжной.

Р и с. 4. Сшивание паруса из заготовки, сложенной вдвое:

1 — полоса усиления (75-мм ширины капрон) законцовочной части, 2 — припуск шва 20-мм, 3 — заготовка полотна паруса (капрон, сложенный вдвое), 4 — полоса усиления основания (75-мм ширины капрон).

Р и с. 5. Распорки для удержания каната и натяжения задней кромки лопасти, их положение относительно ребер-«сандвичей» на лонжероне:

1 — ребро-«саидвнч» (3 шт.), 2 — «носик» раскорки-законцовки, 3 — кронштейн стыковочный (6 шт.), 4 — хвостовик распорки-законцовки и (такая же деталь) распорка-середина, 5 — распорка-основание.

Рис. 1. Шаблоны для выполнения заготовок:

1 — формующий брусок (20-мм фанера), 2 — кронштейн стыковочный, 3 — контур деревянного блока, а равно — второго слоя у ребра-«сандвича», 4 — первый слой ребра-«саидвича».

Рис. 7. Стапель:

1 — базис, 2 — распорка, 3 — стойка-фиксатор лонжерона лопасти (2 шт.), 4 — шаблон для выполнения работ на основании паруса, 5 — плаика усиления (3 шт.), 6 — стойка-фиксатор середины паруса, 7 — стойка для работ на законцовке. Все детали стапеля изготавливаются из 20-мм фанеры, крепление — на шурупах. Стрелками указаны направления, в которых прикрепляются ребра-«сандвичн» к стапелю на предусмотренные для них места.

Рис. 8. Расположение узлов и деталей на несущей конструкции с трансмиссионной системой:

1 — вал ведущий (диаметр 25 мм, длина 1500 мм, Сталь 45), 2 — кок ветроколеса (Д16), 3 — держатель (полоса сечения 3×25 мм, Ст3, 3 шт., 4 — спица ступицы приварная (стальной уголок 25 X 25 мм, 3 шт.), 5 — ступица {Сталь 20), 6 подшипниковый узел ведущего вала (2 шт.), 7 — горизонтальный кронштейн (стальной уголок 25X 25 мм, 2 шт.), 8 — труба опорная стальная (в сечении — квадрат 50Х 50 мм, толшина стенки 4 мм) с наварными квадратными стальными 4-мм щечками на концах, 9 — звездочка Z3=45 (Сталь 45), 10 — цепь ПР 12,7, II — кронштейн вертикальный (300-мм отрезок стального швеллера № 8, приваренный к боковым стенкам опорной трубы), 12 — гайка М14 с шайбой Гровера (4 шт.), 13 — промежуточный вал (диаметр 20 мм, длина 350 мм, Сталь 45), 14 — подшипниковый узел промежуточного вала (2 шт.), 15 — болт М14 (4 шт.), 16 — цепь ПР-19,05, 17 — звездочка Z2= 18 (Сталь 45), 18 — звездочка Z1 = 42 (Сталь 45), 19 — болт М18 (4 шт.), 20 звездочка Z4= 17 (Сталь 45), 21 — кронштейн коробчатый (размеры по месту установки в зависимости от типа генератора, Ст3, 2 шт.), 22—генератор электрический, синхронный, мощностью 1200 Вт, 23 — опорно-поворотный узел, 24 — стойка-труба стальная внутренняя (длина 90 мм, внешний диаметр 60 мм, толшина стенки 4,5 мм), 25 — укосина приварная (305 мм отрезок стального уголка 25X 25 мм, 2 шт.), 26 — шайба стопорная (4 шт.), 27 — гайка М18 (4 шт.), 28 — гайка М12 самоконтрящаяся прорезная (6 шт.), 29 — лонжерон лопасти (1830-мм отрезок трубы с внешним диаметром 50 мм и толщиной стенки 3,5 мм, АЛ9-1, режим термообработки Т6, 3 шт. ), 30 — болт М12 (6 шт.).

Рис. 9. Капсула обтекателя:

1 — шпангоут основной (многослойная фанера, 3 шт.), 2 — продольная панель обшивки люка (12-мм фанера, 2 шт.), 3 — лонжерон (рейка из многослойной фанеры, вырезанная с изгибом после 3-го шпангоута, 4 шт.), 4 — соединение болтовое М16 с самофиксацией (8 шт.), 5 — кронштейн-направляющая (100-мм отрезок стального уголка 40Х Х40 мм, 4 шт.), 6 — полоса обшивки (фанера, суживающаяся по ширине после прогиба на 3-м шпангоуте, 23 шт.), 7 — шпангоут переходной (20-мм фанера), 8 — шпангоут концевой, 9 — покрытие стеклопластиковое, 10 — насадка конусообразная (максимальный диаметр 386 мм, пенопласт) ,11 — поперечная панель обшивки люка (20-мм фанера).

Рис. 10. Опорно-поворотный узел:

1 — кронштейн приварной (стальной уголок 25Х 25 мм), 2 — заклепка (4 шт.), 3 — кабель электрический, 4 — клемма н подвод к щетке контактной (2 шт.), 5 — жила электрокабеля (2 шт.), 6 — 5-мм пластина стеклотекстолитовая, 7 — упор-кронштейн (алюминиевый уголок 12Х 12 мм, 2 шт.), 8 — пружина с контактным винтом (2 шт.), 9 — гнездо-направляющая (алюминиевая труба квадратного сечения с элементами крепежа, 2 шт.), 10 — щетка контактная (2 шт.) ,11 — электропривод изолированный (2 шт.), 12 — стойка-труба стальная внутренняя, 13 — кольцо латунное с контактным винтом (2 шт.), 14 — втулка текстолитовая с двумя установочными винтами, 15 — шайба (Ст3) гребенчатая с двумя установочными винтами, 16 — подшипник радиальный самосмазывающийся (АФГМ), 17—стойка-труба стальная наружная, 18 — подпятник (БрАЖ9-4), 19 — болт М24 с гайкой и фиксацией затяжки.

Два шаблона (см. рис. 6, поз. 1) приклеивают к отрезку 20-мм фанеры. Следуя контуру, вырезают ножовкой или лобзиком две образующие ребро фанерные подкладки. Просверливают 5-мм отверстия под центр лонжерона и разметки сборки. Закругление радиусом 2,5 мм (для загибания фланца) и пятиградусный срез заднего угла выполняют с помощью рашпиля.

Шаблон (поз. 4 рис. 6) с 15-мм кромкой под фланец приклеивают к 6-мм алюминиевому листу АЛ9-1, прошедшему термообработку Т4. Получившуюся заготовку аккуратно вырезают; просверливают лонжеронный центр, а для правильной установки на стапеле — соответствующие отверстия. Это своеобразный новый шаблон для изготовления еще восьми таких заготовок (по 3 шт. на каждую лопасть).

Ребра-«сандвичи» получают, «прослаивая» заготовки между двух формующих блоков (подкладок). Жесткой фиксации добиваются, вставляя 5-мм болты через отверстие в стапеле и отверстие лонжеронного центра в формующие блоки с заготовками. А чтобы «прослаивание» шло успешнее, будущие «сандвичи» зажимают в кузнечных тисках. Отгибания фланцев в нужные стороны достигают, используя резиновый молоток.

Формовку фланца завершают, используя свинцовый мягкий припой. После чего получившееся ребро вынимают, подрезают задний край, чтобы максимально приспособить к лонжерону. Теперь дело за остальными деталями лопасти.”

Стыковочные кронштейны изготавливают из алюминиевого уголка 25X25 мм. Из него же выполняют распорки для удержания каната и натяжения задней кромки в основании, в середине и на законцовке лопасти. Делают их весьма своеобразно: не из одного, а их двух отрезков алюминиевого уголка, склепанных и «эпоксидированных» вместе. Длина такой заготовки 2,4 м. В своем сечении она напоминает букву Т. Высокое качество шва достигается тщательной очисткой поверхностей до их соединения, для чего используют сильные моющие средства с последующим «прополаскиванием водой и протиранием до блеска металлической «путанкой».

Нужной формы у распорок добиваются, воспользовавшись ножовкой по металлу. А вырез для лонжерона, заклепочные и тросовое отверстия высверливают электродрелью. Как, впрочем, и отверстия в распорке-основании для прикрепления впоследствии прижимной планки, чтобы надежно удерживать парус на лопасти даже во время самых больших ветровых нагрузок.

Что касается стыковочных кронштейнов, то они приклепываются и «эпоксидируются» и к распоркам (см. иллюстрации), и к ребрам-«сандвичам», и к лонжерону лопасти. Причем удобнее это делать на специальном приспособлении — стапеле, благодаря которому обеспечивается единообразное выполнение лопастей и правильно устанавливаются углы тангажа.

Вот одна из таких операций.

Ребра-«сандвичи» прикрепляют болтами к стапелю на предусмотренные для них места (в направлениях, указанных на рис. 7 соответствующими стрелками, и по установочным отверстиям, которые сделаны как в стапеле, так и в самих ребрах). Затем аккуратно укладывают, начиная с законцовки, «боковые полочки» тросовых распорок на предназначенные для них «постаменты», располагающиеся под требуемыми углами к базису торцы фанерных выступов: стойки 7, стойки-фиксатора 6 и шаблона 4 (см. рис. 7). Лопастный лонжерон продевают в образовавшиеся на стапеле отверстия, благо полукруглые выемки радиусом 25 мм для этого специально и предусмотрены.

Выполняют разметку заклепочных отверстий в лонжероне. Потом последний вынимают, сверлят в нем отверстия. А установив лонжерон вновь в стапеле, приклепывают и «эпоксидируют» стыковочные кронштейны.

Алюминиевую обшивку передней кромки лопасти выполняют из 6-мм листа АЛ9-1, предварительно изогнув его в виде параболы. Причем последнее лучше сделать на ровном полу с помощью длинной доски, наложенной ребром по оси изгиба. Упершись коленями в доску, руками, всем телом создают необходимое давление на лист, добиваясь получения желанной формы.

Следующая операция — прикрепление обшивки к лопастному скелету. При этом целесообразно воспользоваться специальными С-образными зажимами (на иллюстрациях не показаны).

Начиная с законцовки, просверливают заклепочные отверстия в покрытии, лонжероне и в ребрах. Соединяемые детали «эпоксидируют» и приклеивают. А после того как «эпоксид» затвердеет окончательно, выполняют обрезку «избыточного» алюминия с опиловкой образовавшихся острых краев.

Теперь — несколько слов о задней кромке лопасти. Монтируется она с 3-мм гибким стальным тросом, который продевают через предназначенные для него отверстия в распорках. Трос устанавливают в хлорвиниловые трубки и закрепляют у законцовки, зажав его в свинцовой гильзе. После чего на лопастный скелет натягивают парус.

Столь ответственную операцию лучше выполнять вдвоем. Один человек встает на стол, удерживая в своих руках лопасть таким образом, чтобы распорка-основание находилась внизу, а трос задней кромки располагался вертикально с навешенной на конце двухпудовой гирей. Тогда другой (помощник), убедившись, что требуемое натяжение достигнуто, запрессовывает на тросе вторую, находящуюся у распорки-основания свинцовую гильзу. Излишек троса и гильзы обтачивают. А «открытый» конец паруса заворачивают с последующим закреплением на распорке-основании с помощью прижимной планки и болтов с гайками.

Остальные лопасти изготавливают аналогичным образом. Что касается других узлов и деталей, то их выполнение особых трудностей, как правило, ни у кого не вызывает. То же можно сказать и о сборке всей ветроэлектроустановки в целом. Проста и отладка. Дерзайте!

Материал подготовил к публикации Н. КОЧЕТОВ